美国科学家检测到有史以来最小的力

美国劳伦斯·伯克利国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员，用一组激光器和一个独特的光诱捕系统制造了一团超冷原子云，在其中测得相当于42幺牛顿（1幺牛顿=10-24牛顿）的力，这是有史以来测量到的最小的“力”。

爱因斯坦在“相对论”中预测引力波和时空涟漪的存在，如果想要证实这个预测，或者想确定牛顿在宏观范畴下提出的万有引力定律在微观世界适用到什么程度，就需要捕捉和测量这种几乎非常细微的力，以及它们的运动。

研究人员在高精细度的光学空腔中，对超冷原子云的质心运动施加外力，当外力与云团振荡频率达到共振时，取得了一种与理论预测相一致的力敏感度。

在超灵敏探测器的核心是机械振子，这是一个能将力转化为可衡量的机械运动的系统。将外力施加到振子上时，就像用一只蝙蝠击打一个钟摆。“我们测到的是最接近‘标准量子极限的力。之所以能够达到这种灵敏度，因为使用的机械振子仅由1200个原子组成。”科恩研究组成员西尼·思瑞普勒说。

在思瑞普勒和他的同事使用的实验装置中，机械振子的重要成分，是一种用光学方法能够困住铷原子并将其冷却到接近绝对零度的气。

困住原子的光阱包括两个波长分别为860纳米和840纳米的驻波光场，可以分别对原子产生均等反向的轴向力。调制840纳米波长光场振幅时，质心运动会被诱导出来，其直接反应会被一束波长为780纳米的探测波测量出来。

一般来讲，当力和运动的测量灵敏度达到量子水平，必然碰到一个叫做“海森堡不确定性原理”的屏障，该原理认为，测量本身会因“量子反作用”现象扰乱振子的工作状态。这个障碍被称为“标准量子极限”。

思瑞普勒解释了实验中的关键环节，“我们将铷原子从所处环境中解耦出来并维护其冷却温度，接下来，困住原子的激光光束能够把它们与外部环境干扰隔离开来且不至于使它们变热，这足以使我们接近力灵敏度的极限”。

到目前为止，标准量子极限是人类目前为止能够达到的最敏感的程度。在过去几十年间，科学家们采取了一系列对策，以尽量减少量子反作用现象的发生和影响，进而更靠近标准量子极限，但最好也不过降低了6到8个数量级。

思瑞普勒认为，如果使用更冷一些的原子团和改进的光腔探测器，借助已有的能弱化量子反作用的技术，完全可以展开进一步的探测实验，而且很可能会取得更接近标准量子极限的力灵敏度。“一篇发表在上世纪80年代的科学论文预测，标准量子极限可以在5年内达到，现在已经花了30多年。但是，我们已经实现了一种实验能力，可以在无限量接近标准量子极限的同时，一并展现不同类型的干扰状态。”思瑞普勒说。

如今，这一可行方法给科学家试图探测引力波提供了一种可行方案；对于那些希望证明牛顿定律是否适用于量子世界的人来说，现在获得了新的检验方法；实验中增强的力敏感度，也为原子力显微镜的改进指明了路径。